JP6904176B2 - 二次電池の再利用方法および二次電池システム - Google Patents

二次電池の再利用方法および二次電池システム Download PDF

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Description

本開示は、二次電池の再利用方法および二次電池システムに関し、より特定的には、正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用のための技術に関する。
近年、環境にやさしい車両として、ハイブリッド車等の電動車両の普及が進んでいる。これらの電動車両には、正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池(ニッケル水素電池など)からなる組電池が搭載されたものがある。一般に、電動車両の走行距離の増加または時間の経過ともに組電池は劣化し、組電池の満充電容量が低下する。
たとえば特開2011−233423号公報(特許文献1)には、ニッケル水素電池の正極内にNiHが生成されることによって満充電容量が低下することが記載されている。特許文献1によれば、正極の長さおよび高さ(幅)を適切に設計することによって、正極内におけるNiHの生成が抑制される。その結果、ニッケル水素電池の満充電容量の低下を抑制することができる。
特開2011−233423号公報
電動車両の普及に伴い、正極内でのNiH生成により満充電容量が低下した組電池の数量も増加している。そのため、満充電容量が低下した組電池について、その再利用が可能か否かを適切に判定し、再利用可能なものについては再利用することが望ましい。特許文献1では、NiHの生成により満充電容量が低下する劣化現象については記載されているものの、満充電容量が低下した組電池の再利用については特に考慮されていない。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用方法において、再利用可能な二次電池を効果的に活用することである。
また、本開示の他の目的は、正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用の用途を判定するための二次電池システムにおいて、二次電池を効果的に活用することが可能な用途を判定することである。
(1)本開示のある局面に従う二次電池の再利用方法は、正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用方法である。再利用方法は、第1〜第3のステップを含む。第1のステップは、二次電池の状態を検出した検出値(電圧値、電流値または温度)を用いることによって二次電池の正極内におけるNiHの生成量を推定するステップである。第2のステップは、推定された生成量が所定の基準量を下回る場合には、二次電池を大容量用途に再利用するステップである。第3のステップは、推定された生成量が基準量を上回る場合には、二次電池を高入出力用途に再利用するステップである。
(2)NiHの生成量が増加するに従って二次電池の満充電容量は低下する。好ましくは、上記基準量は、二次電池の満充電容量に基づいて定められる。
(3)上記生成量の増加に伴い、二次電池に入出力可能な電力の低下が緩和される。好ましくは、上記基準量は、二次電池に入出力可能な電力に基づいて定められる。
(4)好ましくは、大容量用途は、車載用途である。
(5)好ましくは、高入出力用途は、定置された電力調整用電源としての用途である。
(6)好ましくは、推定するステップ(第1のステップ)は、二次電池の電圧および温度と、正極内におけるNiHの生成量との関係を示すデータ(たとえば後述するマップMP1)を用いることによって、二次電池の電圧および温度から正極内におけるNiHの生成量を推定するステップを含む。
(7)好ましくは、推定するステップ(第1のステップ)は、二次電池の満充電容量と、正極内におけるNiHの生成量との関係を示すデータ(たとえば後述するマップMP2)を用いることによって、二次電池の電圧および電流により求められる満充電容量から正極内におけるNiHの生成量を推定するステップを含む。
(8)本開示の他の局面に従う二次電池システムは、正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用の用途を判定するための二次電池システムである。二次電池システムは、記憶装置と、判定装置とを備える。記憶装置は、二次電池の電圧値および電流値と、二次電池の正極内におけるNiHの生成量との関係を示すデータを記憶する。判定装置は、二次電池の電圧値および電流値からから前記二次電池の満充電容量を算出し、算出された満充電容量および上記データを用いることによって正極内におけるNiHの生成量を推定し、推定された生成量を用いて二次電池の再利用の用途を判定する。判定装置は、推定された生成量が所定の基準量を下回る場合には、二次電池を大容量用途に再利用すると判定する一方で、推定された生成量が基準量を上回る場合には、二次電池を高入出力用途に再利用すると判定する。
本発明者らは、NiHの生成量が基準量を上回った二次電池では満充電容量が低下する一方で、そのような二次電池がキャパシタのように使用するのに適した特性を有することに着目した(詳細は後述)。大容量用途(たとえば車載用途)では、二次電池の満充電容量の低下は燃費の悪化やドライバビリティの悪化につながるため、満充電容量は特に重要な性能である。その一方で、満充電容量が大きいことはあまり重要視されず、むしろ、高い入出力特性が重要な用途(たとえば、発電所などの電力供給施設における電力調整用の二次電池としての用途であり、以下「高入出力用途」とも称する)も存在する。そのため、上記構成および上記方法によれば、二次電池の用途が大容量用途に適するか高入出力用途に適するかが判定される。これにより、再利用可能な二次電池を効果的に活用することが可能になる。特に、NiHの総生成量が基準量を上回った二次電池を電力供給施設などで再利用することで、NiHの生成に伴う満充電容量の低下のデメリットを緩和しつつ、高入出力特性のメリットを活かすことができる。つまり、再利用可能な二次電池を効果的に活用することができる。
正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用方法において、再利用可能な二次電池を効果的に活用することができる。また、本開示によれば、正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用の用途を判定するための二次電池システムにおいて、二次電池を効果的に活用することが可能な用途を判定することができる。
組電池の再利用を説明するための概念図である。 実施の形態1に係る組電池および二次電池システムの構成図である。 正極内におけるNiHの存在比率と満充電容量との関係に関する実験結果の一例を示す図である。 第1の予備実験における処理手順を示すフローチャートである。 多量のNiHを正極に意図的に混ぜ込んだ後、X線回折法によって正極を分析した結果の一例を示す図である。 第1の予備実験を通じて求められた、試料内のNiHの割合と、X線回折法におけるピーク面積比との関係の一例を示す図である。 第2の予備実験における処理手順を示すフローチャートである。 第1および第2の予備実験を通じて得られた結果がまとめられたマップの一例を示す図である。 NiH生成量が増加したセルの放電特性の一例を示す図である。 NiH生成量が増加したセルの温度変化に対する出力維持率の一例を示す図である。 電力供給施設における電力需給を説明するための模式図である。 実施の形態1における組電池の再利用判定処理手順を示すフローチャートである。 組電池のリビルドを行なう際の処理手順を示すフローチャートである。 第3の予備実験における処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態2におけるマップの一例を示す図である。 実施の形態2における組電池の再利用判定処理手順を示すフローチャートである。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
一般に、組電池の「再利用」は、リユース、リビルドおよびリサイクルに大別される。リユースの場合、回収された組電池は、必要な出荷検査を経て、そのままリユース品として出荷される。リビルトの場合、回収された組電池は、たとえば一旦、セル(単セル)に分解される。そして、セルのうちそのまま利用可能なセルが組み合わされ、新たな組電池が製造される。新たに製造された組電池は、出荷検査を経て、リビルト品として出荷される。これに対し、リサイクルでは、各セルから再生可能な材料が取り出され、回収された組電池が他の組電池として使用されることはない。本開示において、再利用が可能な組電池とは、リユースまたはリビルトが可能な組電池を包括的に意味する。一方、再利用が不可能な組電池とは、リサイクル(あるいは廃棄)されるべき組電池を意味する。
[実施の形態1]
図1は、組電池の再利用を説明するための概念図である。図1を参照して、市場において、車両1に搭載されていた組電池10が回収される。車両1は、たとえばハイブリッド車である。ただし、組電池10の回収元は車両に限定されず、定置用組電池を再利用のために回収してもよい。
実施の形態1においては、回収された組電池10には所定の処理が施され、処理後の組電池10について、判定システム100(図2参照)によって再利用の可否および再利用の用途が判定される。再利用が不可能(再利用に適さない)と判定された組電池は、リサイクルされるか廃棄される。一方、再利用可能(再利用に適する)と判定された組電池については、大容量用途に適するものか高入出力用途に適するものかがさらに判定される。
大容量用途に適すると判定された組電池10は、組電池10の容量を回復させるための処理(リフレッシュ充放電処理)などの実施後に、たとえば他の車両2(たとえばハイブリッド車)に搭載されて再利用される。大容量の組電池10を車両2に搭載することで、車両2の燃費を向上させたり、車両2のドライバビリティを向上させたりすることが可能になるためである。なお、車載用途とは、普通自動車向けの用途に限らず、たとえば、バス、トラック等の大型車両向けであってもよいし、二輪車(自動二輪車、電気自転車)向けの用途であってもよい。
高入出力用途に適すると判定された組電池は、リフレッシュ充放電処理の実施後に、たとえば、発電所などの電力供給施設3における電力調整用の組電池として再利用される。高入出力用途は、工場、オフィスビル、病院、住宅または店舗等の施設(図示せず)での電力調整用であってもよい。高入出力用途の詳細については後述する。
<判定システムの構成>
図2は、実施の形態1に係る組電池および判定システム(二次電池システム)の構成図である。図1および図2を参照して、実施の形態1では、車両1がハイブリッド車であり、かつ、組電池10および判定システム100が車両1に搭載された構成(オンボードの構成)を例に説明する。なお、車両1は、他の電動車両(具体的には、プラグインハイブリッド車、電気自動車または燃料自動車)であってもよい。
組電池10は、たとえば、直列に接続されたM個のモジュール11〜1Mを含む。各モジュールは、たとえば、直列に接続されたN個のセルを含む。M,Nは、2以上の自然数である。本実施の形態において、各セルは、ニッケル水素電池の単セルである。ただし、セルの種類はニッケル水素電池に限定されず、正極活物質としてニッケル系化合物(水酸化ニッケル)を含むアルカリ二次電池であればよく、たとえばニッケル亜鉛電池であってもよい。
組電池10には、たとえば、M個の電圧センサ211〜21Mと、電流センサ22と、M個の温度センサ231〜23Mとが設けられている。電圧センサ211〜21Mは、M個のモジュールに対応して設けられ、対応するモジュールの端子間電圧(電圧VBi)(iは、1〜Nのいずれかの自然数)を検出する。電流センサ22は、組電池10の充放電電流(電流IB)を検出する。温度センサ231〜23Mは、M個のモジュールに対応して設けられ、対応するモジュールの温度(温度TBj)(jは、1〜Mのいずれかの自然数)を検出する。各センサは、その検出結果を示す信号を判定システム100に出力する。なお、電圧および温度の監視単位をモジュールとすることは必須ではなく、たとえばセル毎に電圧および温度を監視してもよい。
なお、M,Nは2以上の自然数であると説明したが、本開示において、組電池10内のモジュール構成およびセル構成は特に限定されない。以下では、電圧および温度に関し、M個のモジュールのうちの特定のモジュールに言及したりN個のセルのうちの特定のセルに言及したりしない場合には、単に組電池10の電圧および温度とも記載する。後述するNiH生成量、満充電容量などの他のパラメータについても同様である。
判定システム100は、判定装置110と、記憶装置120と、制御装置130と、電力変換装置140と、表示装置150とを備える。判定装置110および制御装置130の各々は、CPU(Central Processing Unit)と、メモリと、入出力インターフェイスと(いずれも図示せず)とを含んで構成されたマイクロコンピュータである。
判定装置110は、組電池10の再利用の可否および再利用の用途を判定するための「再利用判定処理」を実行する。再利用判定処理については後に詳細に説明する。
記憶装置120は、詳細は後述するが、組電池10の電圧および温度と、正極内におけるNiH生成量との関係を示すマップMP1(図8参照)を記憶している。記憶装置120に記憶されたマップMP1は、判定装置110に出力される。
制御装置130は、電力変換装置140を制御することによって組電池10の充放電を制御する。なお、図2では、判定装置110、記憶装置120および制御装置130が別々に構成された例を示すが、これらの装置のうちのいずれか2つまたは3つが一体的に構成されていてもよい。
電力変換装置140は、制御装置130からの制御指令に従って、組電池10の充放電を実行するように構成されている。電力変換装置140は、たとえばAC/DCコンバータおよびDC/DCコンバータ(いずれも図示せず)を含み、組電池10と図示しないモータジェネレータとの間に電気的に接続されている。
表示装置150は、たとえば、カーナビゲーションシステムのディスプレイであって、判定装置110による再利用判定処理の結果を表示する。なお、判定システム100が車両1に搭載されていない構成(オフボードの構成)においては、表示装置150は、たとえばコンピュータ端末のディスプレイである。
<ニッケル水素電池の再利用判定>
組電池10の正極内には、時間の経過に伴いNiHが生成される。特に高温環境下ではNiHの生成が顕著である。このように組電池10の使用状況に応じて生成されたNiHは、正極内に徐々に蓄積される。正極内に蓄積されたNiHが増加するほど、組電池10の満充電容量は低下する。
図3は、正極内におけるNiHの存在比率と満充電容量との関係に関する実験結果の一例を示す図である。図3を参照して、横軸は正極内におけるNiHの存在比率を示し、縦軸は組電池10の満充電容量を示す。この実験結果から、NiHの存在比率が高まると満充電容量が低下することが分かる。
図3に示すようにNiH生成量の増加に伴い組電池10の満充電容量がある程度低下したとしても組電池10を再利用できる可能性がある。しかしながら、組電池10の再利用が可能か否かを判定する場合に正極内におけるNiHの生成量を改めて測定する必要があるとすると、そのための工数およびコストの負担が大きくなる。
そのため、実施の形態1においては以下の構成が採用される。記憶装置120は、組電池10の電圧および温度と、正極内におけるNiHの単位充電時間当たりの生成量との関係を示すマップMP1(図8参照)を記憶する。判定装置110は、組電池10の使用中(たとえば、車両1のシステム作動中)に、組電池10の電圧VBおよび温度TBならびにマップMP1を用いることによって、NiH生成量を推定する。そして、判定装置110は、推定された生成量を用いて組電池10の再利用の可否を判定し、再利用が可能と判定された場合には、再利用の用途をさらに判定する。
<マップMP1の作成>
マップMP1は、複数の実験を通じて予め作成される。以下、マップMP1の作成方法についてまず説明し、その後、マップMP1を用いた再利用判定処理について説明する。
マップMP1の作成のための実験は、たとえば次の順に行なわれる。まず、正極内のNiHの混入量と、X線回折法により正極を分析した場合のピーク面積比との関係を調べるための実験(以下、「第1の予備実験」とも称する)が行なわれる。その後、耐久試験(後述)を経たニッケル水素電池および第1の予備実験の結果を用いて、耐久条件(電圧および温度)と、正極内におけるNiHの生成量との関係を調べるための実験(以下、「第2の予備実験」とも称する)が行なわれる。第2の予備実験においては、最終的に、耐久条件と、ニッケル水素電池におけるNiHの単位時間当たりの生成量との関係を示すマップMP1が作成される。以下、第1および第2の予備実験について順に説明する。
<第1の予備実験>
図4は、第1の予備実験における処理手順を示すフローチャートである。図4ならびに後述する第2および第3の予備実験における処理手順を示すフローチャート(図7および図14参照)に示される処理は、実験者により行なわれる。
図4を参照して、S100において、実験者は、新品の正極粉末に所定量(たとえば試料内のNiHの割合P1)のNiH粉末を均一に混ぜ込んだ試料を作製する。その後、実験者は、X線回折法により試料の分析を行なう(S110)。具体的には、実験者は、予め定められた回折角度について、X線のピーク面積を測定する。X線の回折角度をどのように定めるかについて次に説明する。
図5は、多量のNiHを正極に意図的に混ぜ込んだ後、X線回折法によって正極を分析した結果(回折パターン)の一例を示す図である。図5を参照して、横軸は回折角度(2θ)を示し、縦軸は回折強度を示す。多量のNiHを含む正極が完全放電された場合には、正極には、NiH、β−Ni(OH)、および金属Ni(集電体)が含まれ得る。なお、完全放電されていない場合には、β−NiOOHも含まれ得る。
図中「◇」の位置に対応する回折角度における回折ピークは、NiHによる回折の影響を含む。「○」の位置に対応する回折角度における回折ピークは、β−Ni(OH)2による回折の影響を含む。「×」の位置に対応する回折角度における回折ピークは、金属Niによる回折の影響を含む。
たとえば、回折角度D1〜D4におけるピークは、主にNiHによる回折の影響を受け、その他の化合物による回折の影響をほとんど受けない。したがって、実験者は、回折角度D1〜D4のうちのいずれかの回折角度のX線を用いることにより、NiHに起因するピークの面積を測定することができる。実施の形態1においては、一例として、回折角度D1におけるピーク面積がX線回折法による分析に用いられる。ただし、たとえば、すべての回折角度D1〜D4のピーク面積(4本のピークの合算面積)をX線回折法における分析に用いてもよい。
再び図4を参照して、S110にてX線回折法による試料の分析が行なわれると、実験者は、分析結果である回折角度D1におけるピーク面積を記録する(S120)。以上のように、S100〜S120の処理を通じて、所定量(たとえば割合P1)のNiHが試料内に混入している場合の、回折角度D1におけるピーク面積が求められる。
次に、NiHと同様に、Ni(OH)に帰属されるピーク(たとえば、図5に示したD’1,D’2)に着目して、NiHが所定量(ここではK1)混入されたときの回折角度D’1におけるピーク面積が算出される。
第1の予備実験においては、試料内に混入されるNiHの量を変更して(たとえば所定量K2,K3等に変更して)、S100〜S120の処理が複数回行なわれる。その結果、試料内のNiHの割合(=NiH量/(Ni(OH)量+NiH量))と、回折角度D1におけるピーク面積比(=D1/(D1+D’1))との関係を求めることができる。
図6は、第1の予備実験を通じて求められた、試料内のNiHの割合と、X線回折法におけるピーク面積比との関係の一例を示す図である。図6を参照して、横軸は試料内のNiHの割合を示し、縦軸はX線回折法によるピーク面積比を示す。
たとえば、試料内に割合P1〜P3のNiHを混入させた場合に、回折角度D1におけるピーク面積比がそれぞれA1〜A3となった状況を想定する。この実験結果から、試料内のNiHの割合と回折角度D1におけるピーク面積比との関係として、たとえば、図6に示される関係を求めることができる。試料内のNiHの割合と回折角度D1におけるピーク面積比との関係を求めることにより、第1の予備実験は終了する。なお、ここではピーク面積に基づいて図6の関係を規定したが、たとえば、ピーク強度に基づいて図6の関係を規定してもよい。
<第2の予備実験>
図7は、第2の予備実験における処理手順を示すフローチャートである。図7を参照して、実験者は、耐久条件(電圧条件および温度条件)を設定した上で、新品の組電池10から取り出されたいずれかのセルについて耐久試験を行なう(S200)。たとえば、この耐久試験において、セルは、恒温槽内に設けられた充電システム(いずれも図示せず)に設置される。恒温槽内の温度は、実験者により設定された温度に維持される。そして、一定電圧によるセルの充電が行なわれる。この一定電圧のうち、金属抵抗により上昇する電圧は、セルの正極内におけるNiHの生成に寄与しないと考えられる。
耐久試験は、たとえば、セルのSOC(State Of Charge)が所定範囲内に収まるように、所定時間の充電と所定時間の放電とを繰り返すことにより行なわれる。SOCの所定範囲とは、たとえば、判定システム100においてSOCが制御される制御範囲(たとえば50%〜80%の範囲)である。なお、耐久試験は、たとえば、全体として数日〜数ヵ月かけて行なわれる。
耐久試験が終了すると、実験者は、セルを解体して正極を取り出し、X線回折法による分析を行なう(S210)。その後、実験者は、電極内のNiHの割合とX線回折法におけるピーク面積比との関係(第1の予備実験により導出された図6に示す関係)と、分析結果であるピーク面積比とを用いることによって、セルにおけるNiHの単位充電時間当たりの生成量を推定する(S220)。
たとえば、ピーク面積がAである場合には、NiHの生成比(正極内のNiHの割合)はPと推定される(図6参照)。推定されたNiHの割合Pから算出することができるNiHの生成量を耐久試験における総充電時間で除算することにより、NiHの単位充電時間当たりの生成量を算出することができる。単位時間は、たとえば1秒である。なお、耐久試験の時間ではなく、耐久試験における総充電時間で除算される理由は、NiHはニッケル水素電池(より一般的には、正極活物質としてニッケル化合物を含むアルカリ二次電池)にある程度の電圧が印加されなければ生成されず、放電時には生成されにくいと考えられるからである。
その後、実験者は、S220にて推定されたNiHの単位充電時間当たりの生成量を、設定された耐久条件)から導かれるセルの電圧および温度における結果として記録する(S230)。以上のように、S200〜S230の処理を通じて、設定された耐久条件における、各セルでの単位充電時間当たりのNiHの生成量が求められる。
第2の予備実験においては、耐久条件を変更して、S200〜S230の処理が複数回行なわれる。その結果、セルの電圧および温度と、セルの正極における単位充電時間当たりのNiHの生成量との関係を求めることができる。これにより、第2の予備実験は終了する。
図8は、第1および第2の予備実験を通じて得られた結果がまとめられたマップMP1の一例を示す図である。図8を参照して、横軸は耐久条件の温度を示し、縦軸は耐久条件の電圧を示す。
マップMP1においては、モジュールの温度(Ta,Tb,Tc・・・)と電圧(Va,Vb,Vc・・・)との組み合わせごとに、モジュールにおける単位充電時間当たりのNiHの生成量(waa,wab,wba・・・)が対応付けられている。なお、電圧は、電圧センサにより検出された電圧から金属抵抗に由来する電圧上昇分が除かれた値である。単位充電時間当たりのNiHの生成量は、第2の予備実験を通じて得られた結果(セルでの測定結果をモジュールでの値に換算したもの)である。実施の形態1に係る判定システム100においては、第1および第2の予備実験を通じてマップMP1が予め作成され、作成されたマップMP1は記憶装置120に記憶される。以下、マップMP1を用いることによる、組電池10の再利用の可否および再利用の用途の判定手順について説明する。
<キャパシタ的特性>
本発明者らによる実験の結果、NiH生成量が増加した組電池10では満充電容量が低下する一方で、そのような組電池10がキャパシタ用途での使用に適していることが判明した。
図9は、NiH生成量が増加したセルの放電特性の一例を示す図である。図9において、横軸はセルの容量を示し、縦軸はセルの正極電位を示す。図9を参照して、放電されるに従ってセルの正極電位は低下するが、容量と正極電位との関係が線形的であることが分かる。このことは、セルから放電される電荷量Qと、セルの静電容量(キャパシタンス)Cと、セルの電圧変化量ΔVとの間にQ=CΔVの関係が成立することを示す。つまり、NiH生成量が増加したセルがキャパシタ的な特性を示すことが分かる。
一般に、二次電池の入出力特性は温度依存性を有し、低温環境下では、常温環境下と比べて、二次電池に充電(入力)可能な電力および二次電池から放電(出力)可能な電力が小さくなる。
図10は、NiH生成量が増加したセルの温度変化に対する出力維持率の一例を示す図である。図10には、正極材料がNi(OH)のセルと正極材料がNiHのセルとについて、常温(25℃)における放電電力を基準とした低温(−10℃)における放電電力の比率(出力維持率)が示されている。図10より、正極材料がNi(OH)の場合には出力維持率が約30%まで低下するのに対し、正極材料がNiHの場合には80%以上の出力維持率が保たれる。このように、正極材料がNi(OH)の場合と比べて出力維持率の温度依存性が小さいことからも、NiH生成量が増加したセルがキャパシタ的特性を示すことが分かる。
使用に伴いNiH生成量が増加した場合、組電池10の満充電容量が低下する。車載用途(ハイブリッド車向けの用途)では、組電池10の満充電容量の低下は燃費の悪化またはドライバビリティの悪化につながるため、満充電容量は重要な性能の1つである。その一方で、満充電容量(蓄電可能な電力量)が大きいことはあまり重要視されず、むしろ、高入出力特性(図9参照)および入出力維持率の温度特性(図10参照)などの他の性能の方が重要な用途も存在する。そのような用途としては、たとえば、発電所などの電力供給施設における電力調整用の予備電源が挙げられる。
図11は、電力供給施設における電力需給を説明するための模式図である。図11において、横軸は経過時間を示し、縦軸は電力供給施設からの出力電力を示す。電力供給施設では、図11に示すように、電力需要の突発的な変動に伴い出力電力が急激に増加したり減少したりする場合がある。NiH生成量の増加に伴い高入出力特性を有する組電池10(あるいは複数の組電池10が組み合わせられた電池ユニット)を設置し、キャパシタ的に使用することで、電力需要の変動に対応することが可能になる。すなわち、組電池10を設置することで、電力供給施設への入力をアシストしたり電力供給施設からの出力をアシストしたりすることができる。
なお、ここでは電力供給施設として発電所の例を挙げたが、電力供給施設は、短時間での高入出力要求が断続的に発生し得る施設であればよい。電力供給施設は、たとえば、工場、オフィスビル、病院などに定置され、主電源(外部の発電施設)からの電力供給が不安定になったとき(たとえば瞬停時を含む停電時)に非常用電源を供給する施設であってもよい。
<再利用判定処理>
実施の形態1に係る判定システム100においては、NiHの生成量が組電池10の使用中(車両1の走行中等の車両システムの作動中)に推定される。そして、推定されたNi の生成量を用いて、組電池10の再利用の可否が判定される。したがって、判定システム100によれば、再利用可否の判定時にNiHの生成量を改めて測定しなくても、組電池10の使用中に推定されたNiHの生成量を用いることにより組電池10の再利用可否を容易に判定することができる。
図12は、実施の形態1における組電池10の再利用判定処理手順を示すフローチャートである。図12および後述する図16に示すフローチャートは、所定の条件が成立するとメインルーチン(図示せず)から呼び出され、単位時間を1サイクルとして判定装置110により繰り返し実行される。また、これらのフローチャートに含まれる各ステップ(以下「S」と略す)は、基本的には判定装置110によるソフトウェア処理によって実現されるが、判定装置110内に作製された専用のハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
図2および図12を参照して、判定装置110は、S300〜S330の処理を繰り返し実行することにより、モジュール11〜1MにおけるNiHの総生成量を順に更新する。これにより、各モジュール11〜1MのNiHに起因する劣化度合いが認識される。なお、各モジュール11〜1Mにおいて1サイクル前に推定されたNiHの総生成量は、記憶装置120に記憶されている。
S300において、判定装置110は、たとえば、モジュール11に対応する電圧センサ211および温度センサ231ならびに電流センサ22から、電圧VB1、温度TB1、および電流IBを示す信号をそれぞれ取得する。判定装置110は、電圧VB1から金属抵抗による電圧上昇分を減算した電圧を算出する。なお、電圧上昇分の電圧は、予め認識されている金属抵抗と電流IBとに基づいて算出される。
そして、判定装置110は、記憶装置120に記憶されたマップMP1(図8参照)を参照することによって、S300にて算出された電圧および温度TB1に対応する、モジュール11における単位充電時間当たりのNiHの生成量を示す情報を取得する(S310)。上述のように単位時間を1サイクルとして処理が繰り返される場合、NiHの単位時間当たりの生成量は、1サイクル当たりのNiHの生成量と等しい。そのため、判定装置110は、記憶装置120に記憶された1サイクル前のNiHの総生成量に、S310にて算出されたNiHの生成量を加算することにより、モジュール11におけるNiHの総生成量を更新する(S320)。
その後、判定装置110は、すべてのモジュール11〜1Mについて、NiHの総生成量が更新されたか否かを判定する(S330)。いずれかのモジュールについてNiHの総生成量が更新されていない場合(S330においてNO)には、処理は再びS300に戻され、NiHの総生成量が更新されていないモジュールに関して処理が継続される。
すべてのモジュール11〜1MについてNiHの総生成量が更新されると(S330においてYES)、判定装置110は、操作部(図示せず)を通じて作業者(たとえばディーラー、組電池の再利用業者)から組電池10の再利用判定の指示を受けたか否かを判定する(S340)。指示を受けていない場合(S340においてNO)には、処理はリターンに移行し、メインルーチンへと戻される。
一方、作業者からの指示を受けたと判定されると(S340においてYES)、判定装置110は、モジュール11〜1Mの各々において、NiHの総生成量が所定の基準量Ref1よりも大きいか否かを判定する(S350)。基準量Ref1は、モジュールが再利用(リユースまたはリビルド)に値する最低限の満充電容量を有している場合のNiHの総生成量である。
いずれかのモジュール11〜1MにおいてNiHの総生成量が基準量Ref1よりも大きい場合(S350においてNO)、判定装置110は、組電池10の再利用(リユースまたはリビルド)は不可能である(再利用に適さない)と判定する(S384)。
一方、すべてのモジュール11〜1MにおいてNiHの総生成量が基準量Ref1以下である場合(S350においてYES)、判定装置110は、組電池10が再利用可能であると判定する(S360)。そして、判定装置110は、モジュール11〜1Mの各々において、NiHの総生成量が所定の基準量Ref2以下であるか否かをさらに判定する(S370)。
基準量Ref2は、基準量Ref1よりも小さな値であり(Ref2<Ref1)、以下のように定めることができる。あるモジュールのNiHの総生成量が基準量Ref2以下である場合、そのモジュールは、大容量用途での再利用に値する満充電容量を有する。一方、あるモジュールのNiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きく、かつ、基準量Ref1以下である場合には、そのモジュールは、高入出力用途での再利用に適した入出力特性を有する。たとえば、基準量Ref1は、図11に示したような出力電力のスパイクを吸収可能な値として設定することが、より好ましい。また、大容量用途を考える場合、基準量Ref2は、燃費やドライバビリティを考慮して決定されることが好ましい。
すべてのモジュール11〜1MにおいてNiHの総生成量が基準量Ref2以下である場合(S370においてYES)、判定装置110は、組電池10が大容量用途での再利用が可能である(大容量用途での再利用に適する)と判定する(S380)。
これに対し、少なくとも1つのモジュール11〜1MにおけるNiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きい場合(S370においてNO)、すなわち、NiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きく、かつ基準量Ref1以下である場合、判定装置110は、組電池10が高入出力用途での再利用が適すると判定する(S382)。
なお、S380〜S384における判定結果は、表示装置150に表示される。たとえば、S382においては、どのモジュールのNiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きいかを示す情報が表示装置150に表示される。また、たとえば、S380においては、各モジュールにおけるNiHの総生成量を示す情報が表示装置150に表示される。これにより、作業者が組電池10の再利用判定処理の結果を確認し、適切な対応をとることが可能になる。
なお、S380,S382の処理の後に、図示しない充放電システムを用いて組電池10のリフレッシュ充放電(リフレッシュ充電およびリフレッシュ放電の一方のみでもよい)を実行してもよい。これにより、組電池10で生じたメモリ効果(メモリ効果による電圧低下)を解消(あるいは緩和)することができる。リフレッシュ充放電によるメモリ効果の解消については、たとえば特開平8−223812号公報、特開2001−186682号公報または特開2015−80291号公報などにより公知であるため、詳細な説明は繰り返さない。
以上のように、実施の形態1に係る判定システム100において、判定装置110は、組電池10の使用中にモジュール毎のNiHの総生成量を推定する(S300〜S330参照)。そして、判定装置110は、推定された総生成量を用いることによって、組電池10の再利用可否を判定する(S350参照)。判定システム100によれば、組電池10の再利用可否の判定時にNiHの総生成量を改めて測定しなくても、既に推定されているNiHの総生成量を用いることにより組電池10の再利用可否を容易に判定することができる。
さらに、再利用可能と判定された組電池10について、判定装置110は、組電池10が大容量用途に適するか高入出力用途に適するかをさらに判定する(S370,S380,S382参照)。これにより、再利用可能と判定された組電池10を効果的に活用することが可能になる。特に、NiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きいモジュール(NiHの総生成量が基準量Ref2と基準量Ref1との間のモジュール)を含む組電池10について、短時間での高入出力要求が断続的に発生し得る電力供給施設にて再利用することで、NiHの生成に伴う満充電容量の低下の影響を緩和しつつ、高入出力特性を活かすことができる。
なお、図12では、モジュール毎に再利用の可否および再利用の用途を判定する構成を例に説明した。これは、組電池10内の温度ばらつきにより、モジュールごとに劣化度合いのばらつきが生じる可能性があるからである。しかし、再利用判定の単位がモジュール単位であることは必須ではない。たとえば、組電池10全体の劣化度合いを算出してもよい。逆に、モジュールよりも細かな単位(たとえばセル単位)で再利用の可否および用途を判定してもよい。
<組電池のリビルド>
図12に示したフローチャートでは、組電池10のリユースを行なう処理手順について説明したが、組電池10のリビルドを行なってもよい。
図13は、組電池10のリビルドを行なう際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、図12のS370の処理にてNiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きく、かつ基準量Ref1以下であるモジュールを含むと判定された組電池10に対して、作業者(たとえば組電池の再利用業者)により行なわれる。
S400において、作業者は、NiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きく、かつ基準量Ref1以下であるモジュールを含む組電池10を解体する。そして、作業者は、NiHの総生成量が基準量Ref2以下のモジュールを選別し(S410においてYES)それらのモジュールのみを含む新たな組電池を構築する(S420)。このようにして再構築(リビルド)された組電池は、大容量用途に再利用される(S430)。
また、作業者は、NiHの総生成量が基準量Ref2よりも大きく、かつ基準量Ref1以下であるモジュールを選別し(S410においてNO)、それらのモジュールのみを含む組電池を再構築する(S422)。このようにして再構築された組電池は、高入出力用途に再利用される(S432)。
以上のように、組電池10のリビルドを行なう場合には、組電池10のリユースを行なう場合と比べて、モジュールの再構築の工数が増加するものの、回収したモジュールを効率良く再利用することができる。なお、S350の処理において、たとえ1つであってもNiHの総生成量が基準量Ref1以下のモジュールが含まれる場合、その組電池を分解して再構築(リビルド)してもよい。
[実施の形態2]
実施の形態1では、判定システム100が車両上に搭載された状態(オンボードの状態)において組電池10の再利用判定が実施される構成を例に説明した。しかし、判定システム100は、車両外部に設置された状態(オフボードの状態)であってもよい。実施の形態2においては、車両1,2から回収された組電池10に対して再利用判定処理を実行する例について説明する。なお、実施の形態2に係る判定システムの構成は、実施の形態1に係る判定システム100の構成(図2参照)と基本的に同等であるため、説明は繰り返さない。
実施の形態2においては、マップMP1(図8参照)に代えて、以下に説明するマップMP2が用いられる。マップMP2は、第3の予備実験結果に基づいて作成される。
図14は、第3の予備実験における処理手順を示すフローチャートである。図14を参照して、実験者は、たとえば市場から回収された組電池を解体してモジュールを取り出し、そのモジュールの満充電容量を実測する(S500)。より詳細には、実験者は、図示しない充電システムを用いてモジュールを満充電状態(たとえばSOC=100%に対応する電圧まで充電された状態)とし、その状態からモジュールの電圧が所定電圧(たとえばSOC=0%に対応する電圧)に低下するまで当該モジュールを放電させる。この放電に伴う電流を積算することにより、モジュールの満充電容量を算出することができる。
さらに、実験者は、満充電容量Cを実測したモジュールを分解し、そのモジュールの中から正極を取り出す。そして、実験者は、X線回折法による分析を行なう(S510)。その後、実験者は、電極内のNiHの割合とX線回折法におけるピーク面積比との関係(第1の予備実験において導出された、図6に示した関係)と、分析結果であるピーク面積比とを用いることによって、モジュールにおけるNiHの生成量Wを推定する(S520)。
その後、実験者は、S520にて推定されたNiHの生成量Wと、S500にて測定された満充電容量Cとの関係を記録する(S530)。第3の予備実験においては、様々な条件下で使用された組電池が回収され、S500〜S530の処理が複数回行なわれる。その結果、NiHの生成量Wと満充電容量Cとの関係を求めることができる。これにより、第3の予備実験は終了する。
図15は、実施の形態2におけるマップMP2の一例を示す図である。図15を参照して、マップMP2においては、第3の予備実験を通じて得られた結果に基づいて、モジュールの満充電容量(Ca,Cb,Cc・・・)毎にモジュールにおけるNiHの生成量(Waa,Wab,Wba・・・)が対応付けられている。このように、実施の形態2においては、第3の予備実験を通じてマップMP2が予め作成され、作成されたマップMP2が記憶装置120に記憶されている。
図16は、実施の形態2における組電池10の再利用判定処理手順を示すフローチャートである。図2および図16を参照して、S600において、判定装置110は、あるモジュール1kの検出値を取得する。
S610において、判定装置110は、制御装置130の制御により組電池10を充電(放電であってもよい)させ、モジュール1kの満充電容量Ckを算出する。満充電容量Ckの算出手法は、第3の予備実験のS500の手順にて説明した手法と同様の公知の手法であるため、ここでは説明は繰り返さない。
判定装置110は、すべてのモジュール11〜1Mについて満充電容量の算出が完了するまでS600,S610の処理を繰り返し(S620においてNO)、すべてのモジュール11〜1Mの満充電容量の算出が完了すると(S620においてYES)、処理をS630に進める。
S630において、判定装置110は、マップMP2(図15参照)を参照することによって、S610にて算出された満充電容量Ckに対応する、モジュール1kにおけるNiHの総生成量を示す情報を取得する。
以降のS640〜S674の処理は、実施の形態1におけるS350〜S384の処理(図12参照)とそれぞれ同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。
以上のように、実施の形態2によれば、マップMP1に代えてマップMP2が準備される。マップMP2を参照することによって、判定システム100がオフボードの状態においてもNiHの総生成量を推定し、その推定結果に基づいて組電池10の再利用可否を容易に判定することができる。さらに、実施の形態2においても実施の形態1と同様に、再利用可能と判定された組電池10について、判定装置110は、組電池10の再利用の用途が大容量用途に適するか高入出力用途に適するかをさらに判定する(S660,S670,S672参照)。これにより、再利用可能と判定された組電池10を効果的に活用することが可能になる。なお、実施の形態2においても図12での説明と同様に、組電池10のリビルドを行なうことができる。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,2 車両、3 電力供給施設、10 組電池、11〜1M モジュール、211〜21M 電圧センサ、22 電流センサ、231〜23M 温度センサ、100 判定システム、110 判定装置、120 記憶装置、130 制御装置、140 電力変換装置、150 表示装置、910 外部電源、920 外部負荷。

Claims (8)

  1. 正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用方法であって、
    前記二次電池の電圧値および温度に基づいて、前記二次電池の正極内におけるNiHの生成量を推定するステップと、
    推定された前記生成量が所定の基準量を下回る場合には、前記二次電池を大容量用途に再利用するステップと、
    推定された前記生成量が前記基準量を上回る場合には、前記二次電池を高入出力用途に再利用するステップとを含む、二次電池の再利用方法。
  2. 前記生成量が増加するに従って前記二次電池の満充電容量は低下し、
    前記基準量は、前記二次電池の満充電容量に基づいて定められる、請求項1に記載の二次電池の再利用方法。
  3. 前記二次電池は、前記生成量の増加に伴いキャパシタ的特性を示し、
    前記二次電池を前記高入出力用途に再利用するステップは、前記生成量が前記基準量を上回り、かつ、前記基準量よりも大きな他の基準量を下回る場合に、前記二次電池を前記高入出力用途に再利用するステップであり、
    前記他の基準量は、前記二次電池が入出力電力のスパイクを吸収可能な値に基づいて定められる、請求項1または2に記載の二次電池の再利用方法。
  4. 前記大容量用途は、車載用途である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池の再利用方法。
  5. 前記高入出力用途は、定置された電力調整用電源としての用途である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池の再利用方法。
  6. 前記推定するステップは、前記二次電池の電圧値および温度と、前記正極内におけるNiHの生成量との関係を示すデータを用いることによって、前記二次電池の電圧値および温度から前記正極内におけるNiHの生成量を推定するステップを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池の再利用方法。
  7. 前記推定するステップは、前記二次電池の満充電容量と、前記正極内におけるNiHの生成量との関係を示すデータを用いることによって、前記二次電池の電圧値および電流値により求められる前記満充電容量から前記正極内におけるNiHの生成量を推定するステップを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池の再利用方法。
  8. 正極活物質としてニッケル系化合物を含む二次電池の再利用の用途を判定するための二次電池システムであって、
    前記二次電池の満充電容量と、前記二次電池の正極内におけるNiHの生成量との関係を示すデータを記憶する記憶装置と、
    前記二次電池の電圧値および電流値から前記二次電池の満充電容量を算出し、算出された満充電容量および前記データを用いることによって前記正極内におけるNiHの生成量を推定し、推定された前記生成量を用いて前記二次電池の再利用の用途を判定する判定装置とを備え、
    前記判定装置は、推定された前記生成量が所定の基準量を下回る場合には、前記二次電池を大容量用途に再利用すると判定する一方で、推定された前記生成量が前記基準量を上回る場合には、前記二次電池を高入出力用途に再利用すると判定する、二次電池システム。
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